基于多項式曲線擬合方程法的礦用風機風壓特性曲線的對比研究

成高飛，郭 媛

(1．陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司，陜西 西安 710001;2．陜西能源職業技術學院，陜西咸陽 712000)

0 引言

煤礦通風的動力來源主要有兩類，分別是通風機風壓動力與自然風壓動力，礦井通風便是合理有效地運用這兩種動力的影響因素及其產生特點，從而使礦井通風的運行過程穩定、安全可靠、經濟合理。合理選擇風機運行的工況點，既是保證礦井安全生產的必要因素之一，也是節能生產、降低經濟負擔的一個重要因素。文中從機械通風動力的角度出發，通過風機性能曲線擬合風機性能曲線多項式方程，然后根據實際生產需要合理選擇通風機電源運行頻率、風機葉片角度，從而有效經濟地匹配礦井所需的風壓、風量。

1 煤礦通風動力特點

煤礦通風的動力來源主要有兩類，分別是通風機風壓動力與自然風壓動力。

圖1(a)是一個礦井的簡化通風系統圖，其中1、5點為礦井的出入口。0～1以及0～5虛線部分可視為地表大氣斷面無限大、風阻為零的假想風路，由此，礦井通風系統也可視為一個閉合的回路。在夏季，0-1-2段空氣柱的溫度大于3-4-5段的溫度，因平均空氣密度較大，因而0-1-2段的重力小于作用在2-3段上的3-4-5段的重力，所以形成了系統的自然風壓。自然風壓使空氣從井口5流入，從1流出。而冬季時則正好相反。但同時需要注意的是由于局部地熱等的影響會造成與上述自然風壓相反的情況出現，因此應根據礦井具體情況具體測定、具體分析。

自然風壓的主要特點是當與機械通風風向一致時，有利于礦井通風，進而實現一定范圍內的節能效果;但如果相反，則首先是造成風機工況點提高，進而多消耗電能等。特別注意的是在季節變換后，由于自然風壓方向的變化，要實時調整風機工況點，以免礦井風壓、風量欠缺，進而造成礦井安全事故的發生。另外自然風壓也可作為礦井應急情況下的通風方式選擇，一旦礦井主要通風機遭到損壞，或者雙回路完全停電時，便可打開防爆門或防爆井蓋，利用自然風壓進行通風，可在很大程度上解決礦井非常時期的通風問題。

圖1(b)是增加了機械通風的礦井的簡化通風系統圖，機械通風也是礦井通風的主要依賴方式。

圖1 礦井通風系統簡化圖

抽出式通風方式的特點是礦井風壓始終呈負壓狀態，對自然發火礦井防止火災蔓延、采空區有毒有害氣體突然涌出方面比較有利，當工作面等生產位置出現上述情況時，負壓通風方式可以保證生產人員較多的大巷、其余掘進巷道等生產位置不受以上危險的影響，或受到的影響相對較小。其次抽出式通風方式對于淺地表礦井，溝壑較多的礦井出現的漏風等情況，便于與地面溝通，實時調整風機風量。

2 風機性能曲線多項式擬合方程

2．1 風壓擬合曲線及其擬合次數

主通風機的風壓特性曲線在煤礦通風管理方面具有廣泛的用途，例如礦井通風網絡結算以及確定主要通風機的工況點等。風機工況點，即是風機在某一特定轉速和工作風阻條件下的工作參數，文中主要是指風機運行的風壓H與風量Q。

已知通風機的特性曲線，假設礦井的自然風壓忽略不計，首先使用最小二乘法擬合多項式的方法擬合風機風壓特性曲線。

式中:a0、a1、a2、a3為曲線擬合系數。曲線的多項式次數根據計算精度的要求，但同時由于此種擬合產生的方程組是一個病態的方程組，當多項式次數超過4時，方程的病態性嚴重影響其正確值的求解，因此此處取3。

2．2 合理選取擬合數據與擬合方法

由風機的特性曲線選取風壓曲線的擬合點時，應在通風機穩定工作區選擇擬合點，即通風機最高運行風壓0．9倍的數值點與通風機最低允許效率對應的點，如此可以最大程度地保證通風機實際性能曲線與礦井實際所需風量、風壓的吻合。

由式(1)的擬合方程，選擇Origin 8．0軟件，并借助最小二乘法原理，可以方便求出 a0、a1、a2、a3。

3 某煤礦主扇風壓特性曲線方程的擬合

3．1 多項式方程擬合系數的計算

某煤礦選用型號為FBCDZ No．20通風機，運行角度33°，工頻運行，通風機特性曲線如圖2所示。

圖2 FBCDZ No．20通風機性能曲線

根據對擬合點的選擇方法，在圖2中隨機選取7個風壓風量擬合點，見表1。對表1所列數據用Origin 8．0進行3次多項式擬合，所得結果見表2、擬合曲線圖如圖3所示。

表1 風壓擬合點數據

表2 擬合系數求解值

圖3 風壓擬合特性曲線

由表2可以得出風壓特性曲線擬合方程為:

同時可以得出其擬合相關系數為0．996 45，說明擬合曲線與數據點的吻合度非常好。

3．2 擬合結果與風機性能測試數據的比對

現場風機性能實測，帶通風網絡法，葉片角度為33°，風機工頻運行，利用風機入口處圓形蝶閥調節工況，共加阻6次，得到7組測試數據，又通過擬合方程(2)擬合風壓值，所得各項數值及性能測試與擬合方程對比結果見表3。實測風壓與擬合風壓結果對比如圖4所示。

表3 性能測試實測風壓風量與擬合方程擬合風壓風量結果對比表

圖4 性能實測風壓值與擬合風壓值對比圖

3．3 對比分析

由表3與圖4可以看出:

無效區判斷:現場結合風機性能測試技術，對風機進行了帶網絡法性能測試，由實測所得7個風壓值可以看出，風機蝶閥關閉越多，實測風壓越來越大;而觀測第7點風壓值較第6點有所下降，結合軸流風機運行特點以及現場實測第7點時風機實際運行振動較大、噪聲值較大等特點，判定此點屬于軸流風機運行喘振區。而此區域也相當于軸流風機運行的無效區。

誤差解釋:由實測風壓與擬合風壓的相對誤差數據列可以看出，前6測點的相對誤差值均在5%以內，考慮到煤礦生產的實際情況，擬合風壓值可以作為實測風壓測定的參考對比值。又可以看出第7點相對誤差達到了9．09%，這是由于軸流風機運行達到喘振區域后，便不再按照軸流風機運行的一般規律繼續運行。而由于此點位于軸流風機運行的無效區，因此雖然可以得出擬合風壓值，但已不具備參考性。

4 結論

(1)多項式擬合方程可以較好地擬合出軸流風機的原始風壓特性曲線方程，因此該方法可以成為煤礦風量、風壓測算時的一種較為便捷的方法。

(2)結合軸流式風機性能測試的一般技術，通過與多項式曲線擬合方法的對比，根據軸流式風機的運行特性，得出多項式擬合方程法可以在軸流式風機運行的非喘振區實現風壓、風量的快速計算;而風機運行喘振區對煤礦生產來說相對容易監測，且由于此區域在工程實際應用上是無效的，因此多項式擬合方程法針對喘振區域也是不適用的。

(3)煤礦井安全生產活動中，風量應實時監測并傳遞到相應的監測系統，建議根據多項式曲線擬合方程法計算礦井所需風壓，實時調整風機運行的頻率、葉片角度，從而達到節能的目的。